CN103615499A - 滚珠蜗杆副 - Google Patents

Abstract

一种滚珠蜗杆副，用蜗杆蜗轮外缘上的螺旋槽内钢球滚动代替蜗杆螺牙与蜗轮齿面间的啮合摩擦运动来推动蜗轮旋转，从而使传动效率及各项技术性能指标得到大幅提高。蜗杆蜗轮上的螺旋槽在其法向截面或蜗杆的轴向截面的形状可以是单圆弧形、双圆弧形、或直廓槽形；包络方式主要是双包络，也可以是单包络；钢球循环方式有蜗杆内循环和蜗轮内循环，钢球在蜗杆蜗轮的导向片、螺旋槽、反向回流器、内滚道、外保护罩内循环流动。这种滚珠蜗杆副，用于传递空间交错两轴间的运动和转矩，运动可以是减速，也可以是增速，应用最普通的应是轴交角∑=90度的减速运动，是机械传动中应用很广泛的一种传动装置。

Description

滚珠蜗杆副

技术领域

本发明涉及一种新的机械传动机构，用于传递空间交错的两轴间的运动和转矩。运动可以是减速或者增速，最常见的是轴交角∑=90度的减速运动，本发明也将为增速运动增加一种新的高效的传动装置。 

背景技术

目前，公众所知的蜗杆传动在机械传动中应用很广泛，其主要特点是传动平稳、振动、冲击、噪音很小，结构紧凑，传动速比大，一级减速传动速比一般为5～70，最大可达数百，蜗杆传动的主要缺点是蜗杆螺牙与蜗轮齿面摩擦损耗大，造成效率低、易发热、温升过高、能耗浪费严重。多年来由于业内许多科技专家的努力，对齿形、材料、工艺方法、润滑等诸多方面进行了大量研究改进，取得了不少技术进步，传动效率、传动质量有所提高，但仍旧没有改变滑动摩擦传动的实质，不能大幅摆脱效率低、能耗大、发热高等缺点。滚珠丝杠副的出现和应用给人以启迪，滚珠丝杠的效率在90％以上，比滑动丝杠大约高一倍，滚珠丝杆副与蜗杆副差别很大，但也有可借鉴之处，因此，如果将滚珠传动技术应用到蜗杆副中也一定能取得很好效果。 

发明内容

为了克服现有蜗杆传动中效率低、能耗大、发热高的缺点，本发明提供一种滚珠蜗杆副，用蜗杆蜗轮外缘上螺旋槽内钢球的滚动代替蜗杆螺牙与蜗轮齿面的啮合摩擦运动推动蜗轮旋转，从而使传动效率及各项技术性能指标得到大幅提高。 

要解决的技术问题 

要将公知现行蜗杆副改为滚珠蜗杆副，必须解决如下技术难题：如何实现蜗杆、钢球、蜗轮之间的相互啮合，实现运动和动力的连续传递钢球如何循环回流而不致中途丢失滚珠丝杠副在力的传递中径向力与轴向力几乎相等，但丝杠副是圆周方向均匀受力，径向力处于相互抵消而平衡。若蜗杆副也出现径向力偏大又无法平衡的情况，将对蜗杆的刚度造成很不利的影响，需有采取技术措施予以解决。 

技术方案 

要点1：蜗杆蜗轮外缘上加工出特定形状的螺旋槽，两螺旋槽相对应，槽中间放置钢球，蜗杆蜗轮间通过钢球相啮合(图1)。钢球的一半在蜗杆螺旋槽内，另一半在蜗轮的螺旋槽内，蜗杆旋转时，槽内的钢球顺槽做螺旋运动，既包含有绕蜗杆的圆周运动，又有顺蜗杆的轴向运动，蜗杆的轴向便是蜗轮的切向，钢球的一半在蜗杆槽内的轴向滚动，另一半必然推动蜗轮做切向运动，蜗杆不断旋转，钢球不断的往槽内补充循环，蜗轮便只能做连续不断的旋转运动，如果蜗轮切向有负载，蜗杆便通过钢球推动蜗轮克服负载旋转，实现扭矩传递，图2简要显示了滚珠蜗杆副中力的传递关系，蜗杆的圆周力F_t1使蜗杆螺旋槽的侧面对钢球产生法向压力F_n1，此力使钢球在蜗轮螺旋槽的侧面产生力F_t2，这就是蜗轮的圆周力，图中符号α、γ与现行公知蜗杆副符号的含义相同，必须控制压力角α的大小，α太大会造成径向力过大，对蜗杆刚度不利，而且会降低蜗轮的园周力，一般应为α=20～25度。 

本技术方案要点中所述特定形状的螺旋槽，其特征是槽的法向剖面或者蜗杆的轴向剖面，槽的截面形状有双圆弧形(图3.a)、单圆弧形(图3.b)。直廓槽形(图3.c)圆弧半径略大于钢球半径，直廓槽的夹角为2α，即两倍压力角。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案要点2：蜗杆蜗轮包络形式有两种，其一，蜗杆蜗轮双包络；即蜗杆包络蜗轮，蜗轮也包络蜗杆(图4)；其二，单包络；仅蜗轮包络蜗杆，蜗杆为圆柱形(图5)，两种包络形式的蜗杆蜗轮上螺旋槽的形状，均可根据需要设为单圆弧、双圆弧、直廓槽三种中的某一种。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案要点3：设计四种钢球循环方式：蜗杆内循环(图7、图8)二种，蜗轮内循环两种(图4)、(图6)。为防止钢球从蜗杆和蜗轮上的螺旋槽内掉出，设计了蜗杆钢球外防护罩(图9a、b)，和蜗轮钢球外防护罩(图10)，钢球可在螺旋槽、导向片等零件组成的反向器或导流管、内滚道、防护罩内循环滚动而不掉出。 

有益结果 

由于蜗杆蜗轮啮合运动由滑动摩擦变成钢球在两者之间的滚动摩擦运动而大大降低摩擦损耗，使能耗降低，效率得到大幅提高； 

蜗轮不再需要采用昂贵的摩擦系数低耐磨性好的铜合金制造，只需采用价格便宜数倍、强度高数倍的钢材即可，不仅可以降低制造成本，还可以大幅提高蜗轮的承载 

能力，延长使用寿命。即传输同样大小的动力，滚珠蜗杆副的体积、重量会更小；在使用维护方面与滚动轴承、滚珠丝杠、滚动花键一样，滚珠蜗杆副润滑维护保养同样简单，消耗的润滑油非常少，与现有蜗轮箱1年换半箱蜗轮专用油相比，有天壤之别。总之，本发明与公众所知现行传动相比是非常明显的节能降耗低碳环保产品。 

附图说明

图1是滚珠蜗杆副的结构原理图，图中1.蜗杆，2.钢球，3.蜗轮，视图表明了蜗杆蜗轮的螺旋槽、钢球的位置以及三者的啮合关系，并显示出三个基本几何尺寸：蜗杆喉部公称直径d₁、蜗轮喉部公称直径d₂、蜗杆蜗轮中心距a，并可得出a=(d₁+d₂)／2，可以与现行公众所知蜗杆副一样，选用标准模数，只需m=Kd即可。式中m：模数，d：钢球直径，K：常数，在某一数值范围(例如0.4～0.5)内确定，若蜗轮螺旋槽数为z₂，则有d₂=mz₂。 

图2是蜗杆蜗轮与钢球的啮合传力图，为图1的延续说明，图中标号标记与图1相同。图中给出了蜗杆喉部螺旋槽升角γ的几何含义及压力角α的概念，压力角的大小不仅决定槽的开口大小、深浅，也决定了蜗杆传递给蜗轮的力有多大份额变成蜗轮的圆周力F_t2，后者直接决定蜗轮的力矩大小。从图中可以看出，蜗杆圆周力F_t1使蜗杆螺旋槽的侧面给钢球一个法相压力F_n1，钢球全部直接传递给蜗轮螺旋槽的一个侧面，即F_n2，F_n1可分解为轴向力F_x1和径向力F_r1，F_n2可分解为F_t2和F_r2，因为F_n1=F_n2，所以：F_t=F_x1，F_r1=F_r2=F_x1×tgα。 

图3是蜗杆蜗轮螺旋槽的法向截面形状图，除双圆弧槽外，其余两个槽型在圆周方向蜗杆与蜗轮均错开一个小角度，以便显示钢球在实际转动中的接触受力情况，图中1.蜗杆，2.钢球，3.蜗轮。 

图4所示蜗杆蜗轮是双圆弧螺旋槽和双包络结构，钢球在蜗轮内循环。图中1.环面蜗杆，2.钢球，3.环面蜗轮，4.外防护罩，5.短导流管，6.长导流管，7.防护罩底座。 

图5是单圆弧螺旋槽，单包络结构，钢球在蜗杆内循环的滚珠蜗杆副。图中1.蜗杆，2.钢球，3.蜗轮，4.外防护罩，5.返向器组件。 

图6中的蜗杆蜗轮螺旋槽是直廓槽型，双包络结构，钢球在蜗轮内循环按第二种返向器组件导向循环。图中1.蜗杆，2.钢球，3.蜗轮，4.外防护罩，5.导向板，6.返回块，7.等高筒，8.返向块固定螺钉，9.导向板定位环，10.压缩弹簧，11.压紧滑板，12.导向板固定螺钉。 

图7是钢球在单头蜗杆内的循环回流方式，图中1.蜗杆，2.钢球、3、蜗轮，4.外防护罩，5. 导向板，6.防旋钉，7.返向器本体，8.压缩弹簧，9.压力调节螺丝，10.位置调节螺丝，11.调向滑柱，12.紧定螺钉组，13.返向器固定螺钉。 

图8是钢球在三头蜗杆内的循环回流方式，图中1.蜗杆，2.钢球、3、蜗轮，4.外防护罩，5.导向板，6.防旋钉，7.返向器本体，8.压缩弹簧，9.压力调节螺丝，10.位置调节螺丝，11.调向滑柱，12.紧定螺钉组，13.返向器固定螺钉。 

图9是蜗杆内循环钢球外防护罩的结构型式及其固定方式，有中厚型和薄壳型两种结构。图中1.蜗杆，2.钢球，3.蜗轮，4.外防护罩，5.法兰盘，6.轴承，7.箱体墙壁。 

图10所示是蜗轮内循环钢球外防护罩的结构型式及固定方式。图中1.外防护罩，2.底座，3.箱体底板或墙壁。防护罩有中厚和薄壳两种结构。 

具体实施方式

本发明所提出的滚珠蜗杆副有两种包络方式(单包络和双包络)、三种螺旋槽型和四种钢球循环途径，可以组合成几十种不同类型的结构，究竟选用何种组合结构，应根据传递负载类型、精度要求、环境条件、生产条件等多种因素确定。此处提出几种典型实例，借以说明本发明提出的两种包络、三种螺旋槽型、四种钢球循环方式的具体结构组合及其优缺点、适用场合等。 

图4所示的是双包络蜗杆副，采用双圆弧螺旋槽的实施方式，钢球通过安装在蜗轮螺旋槽两端导流管5、6和导流孔循环，外圆周有防护罩4防止钢球意外掉出。导流管有长短两种，主要为了错开位置便于安装固定，这种结构的蜗杆副槽型加工技术要求高，但承载能力很强。钢球循环系统结构比较简单，但导流管5、6的焊接安装工艺技术要求较高。综合而言，这种组合的结构应当是承载能力大、应用范围广、综合性能好的产品。 

图5是单包络的结构型式，单圆弧槽型，钢球在蜗杆内循环的实例，这种结构的特点是蜗杆加工比较简单，成本较低，适用于大速比、轻载传动。 

图6是双包络蜗杆副，直廓槽型螺旋槽，钢球在蜗轮内循环的实例，但钢球循环回流是通过导向板5、导流槽、反向块6、回流孔等零件、要素完成。这种直廓槽型的加工比较方便，但承载能力不如双圆弧槽型，这种钢球循环系统比较复杂，主要用在要求更紧凑，无法安装导流管的场合。如果能够使用导流管作为钢球的循环件，这种结构更具有通用性能好、经济适用的特点。 

图7是钢球在单头蜗杆内循环的实施方式，为了减小蜗杆的直径，将钢球的出入口设在螺旋槽两端，蜗杆中心线的两边。两者互成180°相对。内循环孔便是一穿过中点中心线的斜孔，在斜孔两端各安装一个返向器，包括导向板5、防旋销6、返向器本体7、调向滑柱11、紧定螺钉组12、返向器固定螺钉13，一个安装位置调节螺丝，负责钢球的宏观位置调节，另一个安装压缩弹簧和弹力调节螺丝，负责钢球行进中间隙的实时调节。工作时钢球在蜗杆蜗轮相对两槽的侧面搓动下，以蜗杆槽侧接触点线速度的0.5倍的速度与蜗杆同向旋转，当进入到导向板5下方时被逼进内流道，从内流道的另一端流出，在调向滑柱11和导向板5的引导下重新进入蜗杆螺旋槽。 

图8是钢球在三头蜗杆内循环路径实例。本实例中钢球出入回流孔的方式和返向器的组成零件与图7相同，不同点有二，其一是返向器本体在图7中是个块状，在此图上是个环形套，其二是回流孔不穿过蜗杆中心线，而是在蜗杆外园同一条母线的下方，每一条螺旋线的两端出入孔必须与同一回流孔相连，三头蜗杆有三条循环线，这一方法适用于任意多头蜗杆。 

图9是蜗杆内循环钢球外防护罩的结构型式及固定方式实例。为便于安装，外防护罩在轴向通过中心线剖分为两个半块，在两个半圆周的端部，剖分线边焊有连接用耳板，其上有定位销孔和连接螺孔，两半块合成后用销钉定位，螺栓连接。两端并焊有法兰，做有螺孔，与装在两端轴承孔上的法兰盘连接，这样既可以保证外防护套与蜗杆有良好的同心度，也可使防护套安全可靠的固定。外防护套可以用整体毛胚车成为中厚型a，也可用薄板冲压成薄壳型b，前者适用于单件小批量生产及塑料制品，后者适合于成批以上规模生产的金属制品。 

图10所示防护罩是用于钢球在蜗轮内循环时，在蜗轮圆周对钢球起防护作用。若钢球始终能紧贴移动，蜗轮转速不高，钢球不会脱离滚道与防护罩接触。为便于安装，需要将防护罩1通过中心并垂直蜗杆轴线处剖分为两件，端部与底座2相接，底座或固定于箱体底部3(蜗轮立式安装)，或固定于侧面墙上(蜗轮卧式安装)，与图9相似，防护罩有中厚型b和薄壳型a两种，前者适用与单件小批量生产及塑料制品，后者适合于成批以上规模生产的金属制品。 

为充分适应滚动传动的特点，实例中的蜗杆蜗轮均可采用轴承钢制造，外防护罩、返向器本体可采用优质塑料制造。 

Claims (9)

1.一种滚珠蜗杆副，在蜗杆蜗轮的外缘上设置特定形状的螺旋槽，两件上的槽相对应，组成一段一段的螺旋槽管状体，中间放入钢球，钢球的一半在蜗杆的槽内，另一半在蜗轮槽内，蜗杆蜗轮通过钢球相啮合，随着蜗杆的旋转，钢球在蜗杆槽内做螺旋状滚动，即一方面有旋转，同时也有轴向滚动，钢球的轴向滚动时，球的另一半必然推动蜗轮做切向运动(蜗杆的轴向即蜗轮的切向)，一个齿一个齿的切向运动即为蜗轮的回转运动，随着蜗杆蜗轮的回转运动，钢球也沿着给他设定的轨道循环流动。如此设置的蜗杆螺旋槽一钢球一蜗轮螺旋槽组成的滚珠蜗杆副，使现行公知的蜗杆螺牙与蜗轮齿面间的啮合滑动摩擦运动变成了滚动运动。 

2.一种滚珠蜗杆副，蜗杆蜗轮包络方式有两种，其一是双包络，即蜗杆的螺旋槽在蜗杆的轴向包络蜗轮，蜗轮的螺旋槽在其轴向包络蜗杆的螺旋槽。其二是单包络，蜗杆是圆柱形，蜗轮的螺旋槽在蜗轮的轴向包络蜗杆螺旋槽。 

3.一种滚珠蜗杆副，其滚动钢球可在两个零件内设置循环滚道：蜗杆内循环，蜗轮内循环。循环滚动通道包括含有导向片等零件在内的反向器、内滚道、螺旋槽、外防护罩等。 

4.根据权利要求1所述的滚珠蜗杆副，其螺旋槽的特征是蜗杆的外缘上的螺旋槽在槽的法向或蜗杆轴向截面形状是(1)双圆弧形；(2)单圆弧形；(3)直廓槽形，圆弧半径略大于钢球半径，直廓槽形面的夹角为2α。 

5.根据权利要求2所述的滚珠蜗杆副，其特征一是蜗杆的螺旋槽在蜗杆的有效长度与蜗轮的对应弧长上是相互包络即双包络，蜗杆的轴向截面的螺旋槽口与蜗轮螺旋槽口相对，槽内放置钢球循环滚动。 

6.根据权利要求2所述的滚珠蜗杆副，其特征二是蜗轮螺旋槽在其轴向包络蜗杆，蜗杆是圆柱形，不包络蜗轮，蜗杆的轴向截面的螺旋槽口与蜗轮螺旋槽口相对，槽内放置钢球循环滚动。 

7.根据权利要求3所述的滚珠蜗杆副，其特征一是滚动钢球在蜗杆内完成循环。钢球外缘有保护罩，两端有包含导向片等零件的反向器，蜗杆体内有钢球回流滚道，防护罩可固定在蜗杆轴承孔壁上或传动箱体就近内壁上。 

8.根据权利要求3所述的滚珠蜗杆副，其特征二是滚动钢珠在蜗轮内循环，在蜗轮体内循环滚动的钢球，在蜗轮螺旋槽口的两端与钢球回流滚道之间安装了两支导流管将其连接， 钢球在蜗杆的驱动下，从蜗轮螺旋槽的一端进入导流管，再经回流滚道、另一端的导流管返回到蜗轮的螺旋槽，完成钢球的循环流动。导流管有长短两种，呈辐射状错开排列在蜗轮的端平面上，同时外园设有弧形外防护罩，防止钢球意外掉出。 

9.根据权利要求3所述的滚珠蜗杆副，其特征三是滚动钢珠在蜗轮内循环，在蜗轮体内循环滚动的钢球，在蜗轮螺旋槽口的两端与钢球回流滚道之间安装了由导向片、导流槽、换向板等零件组成的返向器的引导下进入回流滚道，再经另一端返向器回到螺旋槽，完成钢球的循环回流。同样，外园设有弧形外防护罩，防止钢球意外掉出。 

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